CN105420466A - 一种在热处理中保护螺孔的方法 - Google Patents

Abstract

一种在热处理中保护螺孔的方法，由于不锈钢材料的线膨胀系数大于碳钢、合金钢的膨胀系数，随着热处理加热温度的升高，螺栓牙形面与螺孔牙形面接触并挤出残留空气，这样在热处理高温阶段防止螺孔的氧化和脱碳，而在热处理后零件或产品冷却，不锈钢螺栓的牙形面和螺孔的牙形面分离便于卸下不锈钢螺栓，这样在热处理的过程能有效防止螺孔的氧化和脱碳同时又便于拆卸不锈钢螺栓，拆卸不会损伤螺孔牙形。本发明适用于碳钢或合金钢的热处理工件，按照螺孔的尺寸制作不锈钢螺栓在热处理前拧在需要保护的螺孔上，在热处理时能够有效保护螺孔。卸下的不锈钢螺栓可以重复使用。

Description

一种在热处理中保护螺孔的方法

技术领域

所有机械类金属零件制造领域，具体是一种在热处理中保护螺孔的方法。

背景技术

在金属零件或设备的制造过程中，由于零件或设备结构的原因造成许多螺孔无法在热处理后进行加工，而只能在热处理前加工。在零件及设备热处理中，已加工好的螺孔在高温下极易氧化并有脱碳层，螺孔受损，影响螺孔的质量。对此，需要在热处理中对螺孔进行保护。常用的保护方法有：涂涂料保护法、用石棉堵塞法和耐火泥堵塞法等。而这些方法，在热处理后，都需要对螺孔进行清理，无论是涂涂料保护法、用石棉堵塞法还是耐火泥堵塞法，在热处理中，在高温的作用下保护材料凝固与螺孔粘结，使清理困难，而在清理的过程中也容易造成螺孔牙形损伤。

发明内容

为克服现有技术中存在的清理困难、易造成螺孔牙形损伤的不足，本发明提出了一种在热处理中保护螺孔的方法。

本发明适用于碳钢或合金钢的热处理工件，具体过程是：

步骤1，螺栓材料的选择。根据材料的线膨胀系数、材料合金元素的亲和力和材料的热处理性能选择螺栓的材料。

材料的线膨胀系数。所选用螺栓材料的线膨胀系数≥零件的线膨胀系数。

材料合金元素的亲和力。所使用螺栓的材质与热处理工件材质需不同。

材料的热处理性能。选择在经过热处理后不易出现裂纹以及发生变脆现象的材质制作螺栓材料。

步骤2，确定保护螺栓的结构

所述的确定保护螺栓的结构包括对螺栓螺纹根部的改进、螺栓六方头根部的改进和螺栓顶端的改进。

Ⅰ所述螺栓螺纹根部的改进是指对螺栓螺纹根部圆角的改进。

通过公式确定螺栓螺纹根部圆角的高度C：

C_max＝H/4-R_min{1-cos[π/3-arcos(1-T_d2/4×R_min)]}+T_d2/2

C_min＝0.125P＝H/7

公式中：P为螺纹螺距。H为基本牙形高度。T_d2为外螺纹中径公差。R为螺栓螺纹根部圆角的半径。C_max为高度最大值。C_min为高度最小值。

将得到的C_max计算结果减0.03mm，为改进后的螺栓螺纹根部实际高度。改进后的螺栓螺纹根部实际高度值不得小于C_min。

Ⅱ保护螺栓六方头根部的改进。保护螺栓根部圆角半径r＝2～5mm。

Ⅲ所述螺栓顶端的改进。在螺栓头部保留一部分光杆。所述螺栓顶端光杆段的长度L＝3～5mm。

步骤3，确定螺栓与螺孔的配合要求。

螺孔螺纹的配合基本偏差为H，螺栓螺纹的基本偏差为h，使螺栓与螺孔的配合为H/h配合。

所述螺孔与保护螺栓之间的配合精度为六级。

步骤4，加工保护螺栓。

根据确定的保护螺栓的结构和尺寸，按常规机械加工的方法，通过车加工和铣加工的方式制作所述保护螺栓。

步骤5，安装保护螺栓。

将制作保护螺栓安装在热处理工件上的待保护螺孔中。安装时，须使该保护螺栓的螺纹完全处于螺孔内，以防止被氧化的螺纹上的氧化物进入螺孔损伤螺纹，甚至使螺栓无法拆卸。

步骤6，热处理。

将安装有保护螺栓的热处理工件置于热处理炉内，采用常规的热处理方法，按设定的工艺要求进行热处理。

步骤7，卸除保护螺栓。

经过热处理的工件降温至室温。卸除工件上的保护螺栓。

至此，通过安装保护螺栓实现了在热处理中对螺孔的保护。

本发明是用不锈钢螺栓在热处理前拧在需要保护的螺孔上，在热处理时对螺孔进行保护的，能够有效解决现有技术中存在的不足。

对于零件或产品在热处理时需要保护的螺孔，按照螺孔的尺寸制作，将其拧在需保护的螺孔中一同进行热处理，由于不锈钢材料的线膨胀系数大于碳钢、合金钢的膨胀系数，随着热处理加热温度的升高，螺栓牙形面与螺孔牙形面接触并挤出残留空气，这样在热处理高温阶段防止螺孔的氧化和脱碳，而在热处理后零件或产品冷却，不锈钢螺栓的牙形面和螺孔的牙形面分离便于卸下不锈钢螺栓，这样在热处理的过程能有效防止螺孔的氧化和脱碳同时又便于拆卸不锈钢螺栓，拆卸不会损伤螺孔牙形。卸下的不锈钢螺栓可以重复使用。

在金属零件和设备进行热处理时对其上的螺孔用不锈钢螺栓进行保护的方法。

在选择所述保护螺栓的材料时，需考虑以下三个方面：

(1)材料的线膨胀系数方面。首先，螺栓材料的线膨胀系数不能小于零件的线膨胀系数，否则在热处理的过程中，随着加热温度的升高，螺栓和螺孔必要产生间隙，温度越高，间隙越大，这样就不能起到密封防止空气进入的作用，进而影响螺孔的保护效果；如果螺栓材料线膨胀系数和零件材料线膨胀系数一样，从理论上来说，在热处理的过程中，加热温度不影响螺栓与螺孔的配合间隙，但为了热处理后螺栓的拆卸，在螺栓和螺孔的配合上只能选择间隙配合，这样也无法完全阻止空气的进入，也不能很好起到螺孔的保护；当选择螺栓材料的线膨胀系数大于零件材料的线膨胀系数时，在热处理的过程中随着加热温度的升高，螺栓与螺孔配合间隙越来越小，甚至无间隙，这样，在加热的过程中，不但可以挤出螺孔中残存的空气并能阻止空气的进入，对螺孔起到很好的保护作用。一般碳钢和合金钢的线膨胀系数常温下为10×10^-6～11×10^-6/℃，在900C时为13×10^-6～14×10^-6/℃，而不锈钢常温下为16×10^-6～16.5×10^-6/℃，在900C为18×10^-6～19×10^-6/℃。不管是常温下还是高温下，不锈钢的线膨胀系数都大于碳钢、合金钢，且两者之间的差值在5×10^-6/℃，采用不锈钢作为螺栓制造材料是比较合适的。

(2)金属材料在高温下的亲和力。对于金属材料在高温下都有一定的亲和力，在选择螺栓材料时不能选和零件相同的材料。碳钢材料化学成分主要是碳和碳铁化合物，采用不锈钢制造的螺栓用于碳钢零件螺纹保护，其化学成分不同，亲和力较小是合适的。而对于合金钢和不锈钢零件由于和不锈钢部分合金元素相同，会增加亲和力，对拆卸螺栓需要力矩增大，但仍可正常拆卸，而只有当某些活泼金属元素相同时才会影响螺栓的正常拆卸，如含有钛元素的合金钢和不锈钢，则就不能采用含有钛元素的不锈钢螺栓来保护，这时就需要采用不含钛元素的不锈钢螺栓。本发明在确定材料合金元素的亲和力时，以M8螺孔为例，每种材料各做5件进行试验，在其它条件相同的情况下，不同材料零件用同一种不锈钢螺栓进行热处理保护时螺栓拆卸所需的力矩见表1：

表1

(3)金属材料的热处理性能。对于金属材料来说，经过热处理后其性能会发生变化，大多数热处理后强度增加塑性降低，有的还会出现热处理裂纹。如果热处理后材料性能变脆或者出现裂纹，螺栓在拆卸时就会断裂，这样的材料显然不能用于保护螺栓，因此，从金属材料的性能来看，低碳钢和低合金钢材料热处理后不易出现裂纹变脆现象，可以用于保护螺栓的制造。考虑到高温下材料的性能和防氧化的问题则采用不锈钢材料更合适。仍以M8螺孔为例，用不同材料制造螺栓，各做5件进行试验，在其它条件相同的情况下试验结果见表2

表2

由于零件在热处理过程中的工艺参数都是按照零件材料制定的，要使螺栓在热处理过程中不出现裂纹并使螺栓拆卸时不断裂，除了合理选择螺栓材料外还必须在结构上进行改进，以减少螺栓结构上的不合理产生应力集中，使螺栓出现螺纹和拆卸时断裂。曾经在试验中，用购买的10件M8的标准件螺栓，结果一件在六方头根部出现裂纹、有三件在拆卸时断裂，其中，一件出现在螺孔口部螺牙根部、另两件出现在六方头的根部的情况。经查标准螺栓六方头根部圆角半径为0.3mm，相对较小，螺栓螺纹牙底最小圆角为R0.156mm，通过对外够螺栓检测螺栓牙底圆角为R0.158mm符合标准规定，但螺栓螺纹牙底表面粗造，为了减小因根部圆角小引起较大的应力集中，造成螺栓拆卸时的断裂，本发明对所述保护螺栓的结构进行改进，加大了螺栓六方头根部的圆角半径和对螺牙根部圆角在保证螺牙底部配合间隙的情况下按照GB/T197-2003标准进行偏平化处理，同时，在螺栓头部保留一部分光杆，结果在随后试验中，再没有出现裂纹和拆卸时螺栓断裂的情况。

图4、图5、图6为试验结果的实例图。所试验的产品上有64个螺孔。原来热处理时，螺孔用涂料保护进行热处理后，对螺孔进行清理，一台产品，清理螺孔中的涂料需要15小时，且对环境造成污染，造成各别螺孔出现损伤；现在改用不锈钢螺栓保护螺孔，热处理后，拆卸螺栓及清理仅需1.5小时，且不存在环境污染，对对螺孔亦无任何损伤。

附图说明

图1是本发明的螺栓结构示意图；

图2是本发明螺栓螺纹牙形示意图；

图3是保护螺栓与螺孔的公差配合示意图。图中：G、H为螺孔差带；e、f、g、h均为保护螺栓的公差带。

图4是螺孔加工完成后的状态示意图；

图5是热处理前保护螺栓装入螺孔的状态示意图；

图6是热处理后拆掉保护螺栓后螺孔的状态示意图；

图7是本发明的流程图。图中：

1.基本牙形；2.实际牙形。

具体实施方式

本实施例是一种通过不锈钢螺栓在热处理中保护螺孔的方法。所述热处理工件的材质为碳钢或合金钢。

所述的不锈钢螺栓根据所保护的螺孔的尺寸选用。本实施例中，选用六方头螺栓用于保护M8的螺孔。

本实施例的具体过程是：

步骤1，螺栓材料的选择。在选择螺栓的材料时，须考虑以下三个方面：材料的线膨胀系数、材料合金元素的亲和力和材料的热处理性能。

材料的线膨胀系数。所选用螺栓材料的线膨胀系数≥零件的线膨胀系数。

本实施例中，碳钢和合金钢的线膨胀系数常温下为10×10^-6～11×10^-6/℃。碳钢和合金钢在900℃时的线膨胀系数为13×10^-6～14×10^-6/℃。不锈钢常温下为16×10^-6/℃～16.5×10^-6/℃，该不锈钢在900℃时的线膨胀系数为18×10^-6/℃～19×10^-6/℃。在常温或高温下，不锈钢的线膨胀系数都大于碳钢或合金钢，且两者之间的差值在5×10^-6/℃，故采用不锈钢作为螺栓制造材料。

材料合金元素的亲和力。所使用螺栓的材质与热处理工件材质需不同，即不能选用与工件相同材质的螺栓用于热处理工件螺孔的保护。对于碳钢或合金钢的热处理工件，选用的1Cr18Ni9Ti不锈钢作为螺栓的材质。

材料热的处理性能。选择在经过热处理后不易出现裂纹以及发生变脆现象的材质制作螺栓材料。根据试验结果，确定选用1Cr18Ni不锈钢作为保护螺栓的材质。

步骤2，确定保护螺栓的结构

本实施例中的保护螺栓是对现有技术的螺栓在结构上进行改进后得到的。

所述的对现有技术的改进包括对螺栓螺纹根部的改进、螺栓六方头根部的改进和螺栓顶端的改进。如图2所示：

所述螺栓的实际牙形2是螺栓螺纹在基本牙形1的基础上在根部圆角处进行改进得到的。通过公式确定螺栓螺纹根部圆角的高度C：

C_max＝H/4-R_min{1-cos[π/3-arcos(1-T_d2/4×R_min)]}+T_d2/2

C_min＝0.125P＝H/7

公式中：P为螺纹螺距。H为基本牙形高度。T_d2为外螺纹中径公差。R为螺栓螺纹根部圆角的半径。C_max为高度最大值。C_min为高度最小值。

将得到的C_max计算结果减0.03mm，为改进后的螺栓螺纹根部实际高度。改进后的螺栓螺纹根部实际高度值不得小于C_min。

为了保证牙底的配合间隙，将得到的C_max计算结果减0.03mm，为改进后的螺栓螺纹根部实际高度，改进后的螺栓螺纹根部实际高度值不得小于C_min。

保护螺栓六方头根部的改进。为减少现有技术中螺栓根部产生应力集中，使螺栓出现螺纹和拆卸时断裂，本发明中，保护螺栓根部圆角半径r＝2～5mm。本实施例中，所述保护螺栓根部圆角半径r为3mm。

所述螺栓顶端的改进。在螺栓头部保留一部分光杆。所述螺栓顶端光杆段的长度L＝3～5mm。本实施例中所述螺栓顶端光杆段的长度L＝4mm。

步骤3，确定螺栓与螺孔的配合要求。

用螺栓保护螺孔主要是螺孔不被氧化和热处理后螺栓能顺利卸下，因此螺栓和螺孔的配合精度既要合理的配合间隙。

如图3所示。对于被保护螺孔来说，该螺孔螺纹配合基本偏差有G和H两种，其中G的基本偏差为正值、H的基本偏差为零。螺栓螺纹的基本偏差有e、f、g和h四种，其中h的基本偏差为零、e、f、g的基本偏差为负值。所述螺孔螺纹配合基本偏差及螺栓螺纹的基本偏差均通过机械设计手册获得。

本实施例中，螺孔螺纹的配合基本偏差选H，螺栓螺纹的基本偏差选h，即H/h配合。

所述螺孔与保护螺栓之间的配合精度为六级。

步骤4，加工保护螺栓。

根据确定的保护螺栓的结构和尺寸，按常规机械加工的方法，通过车加工和铣加工的方式制作所述保护螺栓。

步骤5，安装保护螺栓。

将制作保护螺栓安装在被保护螺孔4中。安装时，须使该保护螺栓的螺纹完全处于螺孔内，以防止被氧化的螺纹上的氧化物进入螺孔损伤螺纹，甚至使螺栓无法拆卸。

步骤6，热处理。

将安装有保护螺栓的工件置于热处理炉内，采用常规的热处理方法，按设定的工艺要求进行热处理。

步骤7，卸除保护螺栓。

经过热处理的工件降温至室温。卸除工件上的保护螺栓。

至此，通过安装保护螺栓，实现了在热处理中对螺孔的保护。

Claims (2)

1.一种在热处理中保护螺孔的方法，其特征在于，具体过程是：

步骤1，螺栓材料的选择：根据材料的线膨胀系数、材料合金元素的亲和力和材料的热处理性能选择螺栓的材料；

材料的线膨胀系数；所选用螺栓材料的线膨胀系数≥零件的线膨胀系数；

材料合金元素的亲和力；所使用螺栓的材质与热处理工件材质需不同；

材料的热处理性能；选择经过热处理后不易出现裂纹和变脆的材质制作螺栓材料；

步骤2，确定保护螺栓的结构：

所述的确定保护螺栓的结构包括对螺栓螺纹根部的改进、螺栓六方头根部的改进和螺栓顶端的改进；

Ⅰ所述螺栓螺纹根部的改进是指对螺栓螺纹根部圆角的改进；

通过公式确定螺栓螺纹根部圆角的高度C：

C_max＝H/4-R_min{1-cos[π/3-arcos(1-T_d2/4×R_min)]}+T_d2/2

C_min＝0.125P＝H/7

公式中：P为螺纹螺距；H为基本牙形高度；T_d2为外螺纹中径公差；R为螺栓螺纹根部圆角的半径；C_max为高度最大值；C_min为高度最小值；

将得到的C_max计算结果减0.03mm，为改进后的螺栓螺纹根部实际高度；改进后的螺栓螺纹根部实际高度值不得小于C_min；

Ⅱ保护螺栓六方头根部的改进；保护螺栓根部圆角半径r＝2～5mm；

Ⅲ所述螺栓顶端的改进；在螺栓头部保留一部分光杆；所述螺栓顶端光杆段的长度L＝3～5mm；

步骤3，确定螺栓与螺孔的配合要求；

螺孔螺纹的配合基本偏差为H，螺栓螺纹的基本偏差为h，使螺栓与螺孔的配合为H/h配合；

所述螺孔与保护螺栓之间的配合精度为六级；

步骤4，加工保护螺栓；

根据确定的保护螺栓的结构和尺寸，按常规机械加工的方法，通过车加工和铣加工的方式制作所述保护螺栓；

步骤5，安装保护螺栓；

将制作保护螺栓安装在热处理工件上的待保护螺孔中；安装时，须使该保护螺栓的螺纹完全处于螺孔内，以防止被氧化的螺纹上的氧化物进入螺孔损伤螺纹，甚至使螺栓无法拆卸；

步骤6，热处理；

将安装有保护螺栓的热处理工件置于热处理炉内，采用常规的热处理方法，按设定的工艺要求进行热处理；

步骤7，卸除保护螺栓；

经过热处理的工件降温至室温；卸除工件上的保护螺栓；

至此，通过安装保护螺栓实现了在热处理中对螺孔的保护。

2.如权利要求1所述在热处理中保护螺孔的方法，其特征在于，所述热处理工件的材质为碳钢或合金钢；保护螺栓的材质选用不锈钢，首选1Cr18Ni。